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JP5061078B2 - Casting simulation method and program thereof - Google Patents
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Description

本発明は、中子等の鋳型の割れを予測できる鋳造シミュレーション方法およびそのプログラムに関する。   The present invention relates to a casting simulation method capable of predicting cracks in a mold such as a core and a program thereof.

複雑な形状の部材などは鋳造により生産されることが多く、金型を用いたダイカスト鋳造法の他、砂型を用いた加圧鋳造法や重力鋳造法なども多く利用されている。特に、内部に中空部分を有する中空部材を製造する場合、鋳砂などをバインダで固めた崩壊性中子を外型内に配置して、鋳造されることが多い。
ところで、このような鋳型は、鋳造中に割れ等が生じないことが好ましい。鋳造中にクラック等の割れが鋳型に生じると、その部分に金属溶湯が流れ込み、その溶湯が凝固して余分なバリ等が形成され、鋳物の歩留り低下やバリ除去工数の増加などの原因となる。
特開2007−167893号公報
A member having a complicated shape is often produced by casting, and in addition to a die-casting method using a die, a pressure casting method using a sand mold, a gravity casting method, and the like are often used. In particular, when a hollow member having a hollow portion is manufactured, a collapsible core in which casting sand or the like is hardened with a binder is disposed in the outer mold and is often cast.
By the way, it is preferable that such a mold does not cause cracks or the like during casting. If cracks such as cracks occur in the mold during casting, the molten metal flows into that part, and the molten metal solidifies to form excess burrs and the like, leading to reduced casting yield and increased deburring man-hours. .
JP 2007-167893 A

そこで、そのようなバリ等の発生原因となる鋳型割れの発生やその発生する場所などをシミュレーションにより予め予測できれば、その結果を鋳型の設計に反映させることで、バリ等の少ない良好な鋳物の製造が可能となる。
しかし、これまでのシミュレーションによって解析されてきたのは、上記の特許文献1にもあるように、鋳型の割れではなく、凝固完了前後に生じる鋳物の割れであった。そして鋳型の割れ自体をシミュレーションにより予測することは、本発明者が調査したところ、これまで提案されていない。
Therefore, if it is possible to predict in advance by simulation the occurrence of mold cracks and the locations where such burrs are generated, the results will be reflected in the mold design to produce good castings with few burrs. Is possible.
However, what has been analyzed by the simulation so far is not a crack of the mold but a crack of the casting that occurs before and after the completion of solidification, as described in Patent Document 1 above. And it has not been proposed until now that the present inventors have investigated to predict the crack of the mold itself by simulation.

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであって、鋳型の割れを精度良く予測できる鋳造シミュレーション方法およびそのプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a casting simulation method and a program thereof capable of accurately predicting cracks in a mold.

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、鋳型(特に中子)の割れは、鋳型のキャビティに金属溶湯を充填し終えた後に生じるのではなく、溶湯の充填途中に生じることが新たにわかった。このため、凝固完了前後に着目し、鋳物の割れを予測する従来のシミュレーション方法では、鋳型の割れを精度良く予測することはできないという知見を得るに至った。
そこで本発明者は、金属溶湯がキャビティへ充填される途中において鋳型の割れをシミュレーションすることにより、精度よく鋳型の割れを予測することができるのではないかと考えてシミュレーションしたところ、実際の鋳造結果にマッチするシミュレーション結果を得ることに成功した。この成果を発展させることで、本発明者は以降に述べる種々の発明を完成させるに至った。
As a result of extensive research and trial and error, the present inventor has conducted trial and error, and as a result, cracks in the mold (particularly the core) do not occur after the mold cavity has been filled with the molten metal, Newly found to occur during filling. For this reason, focusing on before and after completion of solidification, the conventional simulation method for predicting cracks in castings has led to the finding that cracks in molds cannot be accurately predicted.
Therefore, the present inventor considered that the mold crack could be accurately predicted by simulating the crack of the mold while the molten metal was filled into the cavity, and the actual casting result was obtained. We succeeded in obtaining simulation results that match By developing this result, the present inventor has completed various inventions described below.

〈鋳造シミュレーション方法〉
(1)すなわち、本発明の鋳造シミュレーション方法は、金属溶湯が充填されるキャビティを構成する型を座標系上にモデル化した型モデルを設定するモデル設定工程と、該設定された型モデル中のキャビティへ金属溶湯が充填されていく様子を順次算出する充填解析工程とを備える鋳造シミュレーション方法であって、
前記モデル設定工程は、前記型モデルを座標系上に位置づけて形成するモデル形成ステップと、該形成された型モデル中の領域を微小に分割して多数の微小要素を作成する要素作成ステップと、該作成された微小要素の内で該型モデル中のキャビティ領域に対応する微小要素をキャビティ要素と定義すると共に該型モデル中の型領域に対応する微小要素を型要素と定義する要素定義ステップとを有し、
前記充填解析工程は、前記キャビティ要素へ前記金属溶湯が順次充填されていく充填過程を算出する充填解析ステップと、少なくとも一部の前記型要素について作用する熱応力を順次算出する熱応力解析ステップと、該算出された熱応力が型割れ発生の判断指標となる割れ応力を少なくとも超えているか否かを判定する割れ判定ステップとを有し、少なくとも型割れの発生の有無を予測し得ることを特徴とする。
<Casting simulation method>
(1) That is, in the casting simulation method of the present invention, a model setting step for setting a mold model in which a mold constituting a cavity filled with a molten metal is modeled on a coordinate system, and in the set mold model A casting simulation method comprising a filling analysis step for sequentially calculating a state in which a molten metal is filled into a cavity,
The model setting step includes a model formation step of forming the mold model by positioning it on a coordinate system, an element creation step of creating a large number of minute elements by finely dividing an area in the formed mold model, An element defining step of defining a microelement corresponding to a cavity region in the mold model as a cavity element among the created microelements and defining a microelement corresponding to the mold region in the mold model as a mold element; Have
The filling analysis step includes a filling analysis step for calculating a filling process in which the molten metal is sequentially filled into the cavity elements, and a thermal stress analysis step for sequentially calculating thermal stress acting on at least a part of the mold elements. A crack determination step for determining whether or not the calculated thermal stress exceeds at least a crack stress that is an index for determining the occurrence of mold cracks, and at least the presence or absence of mold cracks can be predicted. And

(2)本発明の鋳造シミュレーション方法では、キャビティへ金属溶湯が充填される様子をシミュレーションする充填解析工程で(充填解析ステップ後または充填解析ステップと並行して)、型に作用する熱応力が解析される。すなわち、先ず、熱応力解析ステップで、型(鋳型)の各部(型要素)に作用する熱応力が順次算出される。次に、割れ判定ステップで、そうして算出された熱応力が、その鋳型が割れるか否かを判断する指標となる割れ応力と対比される。具体的には、その熱応力が少なくとも割れ応力を超えているか否かが判定される。この判定結果に基づき、少なくとも熱応力が割れ応力を超える鋳型部分(型領域)で、型割れが生じるシミュレーション結果が得られ、型割れの予測が可能となる。なお、ここで熱応力が「割れ応力を少なくとも超えているか否か」とは、熱応力が割れ応力を超える場合を判定対象としても、熱応力が割れ応力以上となる場合を判定対象としてもよいことを意味する。 (2) In the casting simulation method of the present invention, the thermal stress acting on the mold is analyzed in the filling analysis process for simulating the filling of the molten metal into the cavity (after the filling analysis step or in parallel with the filling analysis step). Is done. That is, first, in the thermal stress analysis step, thermal stress acting on each part (mold element) of the mold (mold) is sequentially calculated. Next, in the crack determination step, the thermal stress thus calculated is compared with a crack stress that serves as an index for determining whether or not the mold is cracked. Specifically, it is determined whether or not the thermal stress exceeds at least the cracking stress. Based on the determination result, a simulation result in which mold cracks occur at least in the mold part (mold region) where the thermal stress exceeds the crack stress can be predicted. Here, “whether or not the thermal stress exceeds at least the cracking stress” may be determined whether the thermal stress exceeds the cracking stress or may be determined if the thermal stress is equal to or higher than the cracking stress. Means that.

また、本発明に係る充填解析工程中の各ステップは、複数のステップが1インクリメント毎に順次(逐一)行われてそれを所定回数繰り返すものでも、特定のステップ内での処理を所定回数繰り返してそのステップの処理を完了させた後に次のステップの処理を行うものでも良い。   Further, each step in the filling analysis process according to the present invention may be performed by repeating a predetermined number of times even if a plurality of steps are sequentially performed one by one (one by one) and repeated a predetermined number of times. The processing of the next step may be performed after the processing of that step is completed.

(3)ところで、型割れが金属溶湯の充填完了後にはほとんど生じず、その充填過程中に生じる理由は、次のように考えられる。
先ず、金属溶湯の充填が開始されて完了するまでの間、型には、高温の金属溶湯に接して急激に高温となった高温部と、金属溶湯に接していない低温部とが形成される。鋳型の材質にも依るが、充填過程中の短時間の間でみれば、高温部と低温部との温度差は非常に大きくなる。その結果、高温部と低温部との間で大きな熱膨張差が極短時間の間に生じ、その熱膨張が部分的に拘束されることにより、大きな熱応力が型に作用することになり、型の破損(型割れ)に至ったと思われる。
(3) By the way, the reason why mold cracks hardly occur after completion of filling of the molten metal, and the reason why it occurs during the filling process is considered as follows.
First, until the filling of the molten metal is started and completed, the mold is formed with a high-temperature part that is in contact with the high-temperature molten metal and suddenly becomes high temperature, and a low-temperature part that is not in contact with the molten metal. . Although it depends on the material of the mold, the temperature difference between the high temperature part and the low temperature part becomes very large if it is viewed in a short time during the filling process. As a result, a large difference in thermal expansion occurs between the high temperature part and the low temperature part in a very short time, and the thermal expansion is partially constrained, so that a large thermal stress acts on the mold. It seems that the mold was damaged (die cracking).

本発明の鋳造シミュレーションによれば、そのような状況の再現がコンピュータ上で可能となることから、現実の型割れに高精度でマッチした型割れ予測が可能になったと思われる。   According to the casting simulation of the present invention, such a situation can be reproduced on a computer, so that it is possible to predict a mold crack that matches a real mold crack with high accuracy.

(4)ちなみに前記の低温部は、金属溶湯の未充填部分だけではなく、金属溶湯が充填された部分(高温部)の型内部などをも含む。特に砂型などでは、粒子間に隙間があり熱伝導性が悪く、また、構成粒子がセラミックス系の無機粒子である場合は、その粒子自体の熱伝導性も悪い。このため、金属溶湯が注湯、充填される短時間内では、金属溶湯に接触している充填部分の表層部とその型内部との間に大きな温度差を生じ易い。従って、低温部は、金属溶湯の未充填部分のみならず、金属溶湯の充填部分の内部などにも生じ得る。 (4) Incidentally, the low temperature portion includes not only the unfilled portion of the molten metal but also the inside of the mold of the portion filled with the molten metal (high temperature portion). Particularly in the case of a sand mold or the like, there is a gap between the particles and the thermal conductivity is poor, and when the constituent particles are ceramic inorganic particles, the thermal conductivity of the particles themselves is also poor. For this reason, within a short time during which the molten metal is poured and filled, a large temperature difference tends to occur between the surface layer portion of the filled portion in contact with the molten metal and the inside of the mold. Therefore, the low temperature part may occur not only in the unfilled portion of the molten metal but also in the filled portion of the molten metal.

また、本発明でいう熱応力は、型の温度分布差(熱膨張差)に大きく起因することから、例えば、本発明でいう型に作用する「熱応力」を「温度」とし、「熱応力解析ステップ」を温度に基づき熱応力を算出する「温度解析ステップ」と言い換えることも可能である。ただし、型に作用する熱応力は、型の拘束条件や型に作用する溶湯圧力等の影響も受け得るので、鋳造方法に適した解析方法が選択されるとよい。   In addition, since the thermal stress referred to in the present invention is largely caused by the temperature distribution difference (thermal expansion difference) of the mold, for example, the “thermal stress” acting on the mold referred to in the present invention is defined as “temperature”, and “thermal stress” The “analysis step” can be paraphrased as a “temperature analysis step” in which the thermal stress is calculated based on the temperature. However, since the thermal stress acting on the mold can be affected by the constraint conditions of the mold and the molten metal pressure acting on the mold, an analysis method suitable for the casting method is preferably selected.

〈鋳造シミュレーションプログラム〉
本発明は、上述した「方法」の発明には限られず、「物」の発明としても把握される。すなわち、本発明は、前述の鋳造シミュレーション方法をコンピュータを機能させて実行することを特徴とする鋳造シミュレーションプログラムであっても良い。
<Casting simulation program>
The present invention is not limited to the above-described “method” invention, but is understood as a “product” invention. That is, the present invention may be a casting simulation program characterized in that the above-described casting simulation method is executed by causing a computer to function.

なお、プログラムが「物」として把握されない場合であれば、そのプログラムを記録したコンピュータで読取り可能な記録媒体として把握することができる。さらには、そのプログラムを実行する鋳造シミュレーション装置としても把握できる。これらの場合、本発明でいう「工程」や「ステップ」を「手段」などと読替えれば良い。例えば、モデル設定工程をモデル設定手段、充填解析工程を充填解析手段などに置換して考えれば良い。   If the program is not grasped as “thing”, it can be grasped as a computer-readable recording medium on which the program is recorded. Furthermore, it can also be grasped as a casting simulation apparatus that executes the program. In these cases, “process” and “step” in the present invention may be read as “means”. For example, the model setting process may be replaced with model setting means, and the filling analysis process may be replaced with a filling analysis means.

〈その他〉
なお、本明細書でいう「金属溶湯」を構成する金属組成は問わないが、例えば、各種の鋳鉄、鋳鋼、Al合金、Mg合金などがある。
また、「型」はいわゆる砂型、金型などの各種の鋳型を含み、その形状、材質などは問わない。例えば、軽合金の鋳造などでは、工具綱などからなる金型が用いられる。また、鋳鉄などの鋳造では鋳砂をバインダで固めた砂型が用いられる。また、中空鋳物であれば、外型が金型で、中子が砂型でもよい。
<Others>
The metal composition constituting the “metal melt” referred to in the present specification is not limited, and examples thereof include various cast irons, cast steels, Al alloys, and Mg alloys.
Further, the “mold” includes various molds such as a so-called sand mold and a mold, and the shape and material thereof are not limited. For example, a mold made of a tool rope or the like is used for casting a light alloy. In casting of cast iron or the like, a sand mold in which cast sand is hardened with a binder is used. In the case of a hollow casting, the outer mold may be a mold and the core may be a sand mold.

ちなみに、砂型のように粒子をバインダで固めた鋳型(以下、「粘結型」という。)は、例えば、構成粒子とバインダとを均一に混練した混合粉末を所望形状に加圧成形した粉末成形体を、焼成した焼成体などとして得られる。その「粒子」となる原料として、けい砂、ムライト、アルミナなどの無機粒子、もしくは鉄粉、Al(Al合金)粉などの金属粒子を用いることができる。また、バインダとしては、粘結剤、樹脂接着剤、熱硬化性樹脂(例えば、フェーノルレジン)、ガス硬化樹脂などを用いることができる。もっとも本発明では、鋳型の種類、方案、鋳造方法等が限定されるものではない。ただし、鋳型の割れは、粒子をバインダで固めた鋳型(粒子型、砂型)、特に、それが中子であるときに比較的生じ易い。従って、そのような鋳型(特に中子)の型割れを予測する場合に、本発明の鋳造シミュレーション方法は特に有効である。   Incidentally, a mold in which particles are hardened with a binder such as a sand mold (hereinafter referred to as “caking type”) is, for example, powder molding in which a mixed powder in which constituent particles and a binder are uniformly kneaded is pressed into a desired shape. The body is obtained as a fired fired body. As raw materials to be used as the “particles”, inorganic particles such as silica sand, mullite, and alumina, or metal particles such as iron powder and Al (Al alloy) powder can be used. As the binder, a binder, a resin adhesive, a thermosetting resin (for example, phenol resin), a gas curable resin, or the like can be used. However, in the present invention, the type of mold, method, casting method and the like are not limited. However, mold cracking is relatively likely to occur when a mold is made by solidifying particles with a binder (particle type, sand type), particularly when it is a core. Therefore, the casting simulation method of the present invention is particularly effective in predicting mold cracking of such a mold (particularly a core).

発明の実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、本明細書では便宜的に本発明の「鋳造シミュレーション方法」に関して主に説明するが、本明細書で説明する内容はそれを実行するプログラム(鋳造シミュレーションプログラム)等にも適宜適用できる。また、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。   The present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention. In the present specification, the “casting simulation method” of the present invention will be mainly described for the sake of convenience. However, the contents described in the present specification can be appropriately applied to a program (casting simulation program) and the like for executing the same. Which embodiment is the best depends on the target, required performance, and the like.

本発明の鋳造シミュレーション方法は、モデル設定工程および充填解析工程からなる。もっとも、本発明は鋳造シミュレーションであるから、図1に示すように、それら工程に凝固解析工程を加えて考えるとより好ましい。以下では、それらの各工程について順次説明する。   The casting simulation method of the present invention includes a model setting process and a filling analysis process. However, since the present invention is a casting simulation, it is more preferable to add a solidification analysis step to these steps as shown in FIG. Below, each of these processes is demonstrated one by one.

〈モデル設定工程〉
モデル設定工程は、金属溶湯の充填されるキャビティを構成する型を座標系上にモデル化した型モデルを設定する工程である。モデル設定工程は、例えば、図2に示すような、モデル形成ステップ、要素作成ステップ、要素定義ステップおよび流入位置設定ステップからなる。
<Model setting process>
The model setting step is a step of setting a mold model obtained by modeling a mold constituting a cavity filled with molten metal on a coordinate system. The model setting process includes, for example, a model formation step, an element creation step, an element definition step, and an inflow position setting step as shown in FIG.

(a)モデル形成ステップ
モデル形成ステップは、鋳型の形状を座標系上に位置づけて型モデルを形成するステップである。鋳型が複数の型部材から構成される場合、前記の型モデルは、それぞれの型部材の形状が個別に座標系上に位置づけられている必要はなく、鋳型全体としての形状が座標系上に位置づけられていれば足る。
(A) Model formation step The model formation step is a step of forming a mold model by positioning the shape of the mold on the coordinate system. When the mold is composed of a plurality of mold members, the mold model need not have the shape of each mold member individually positioned on the coordinate system, and the shape of the entire mold is positioned on the coordinate system. It is enough if it is done.

鋳型または型部材の形状(特に外形)の座標系上への位置づけは、それらの形状を数値データに変換して行うことができる。鋳型の形状がCADデータ等として既存の場合はそれを利用すると効率的である。勿論、数値データの取得は、CADデータに限らず、CAEや凝固解析シミュレーション装置等を利用しても得られる。さらには、3次元スキャナ等を用いて試作した現物の鋳型や鋳物の形状を数値データ化し、その数値データから型モデルを形成しても良い。   Positioning the shape (particularly the outer shape) of the mold or the mold member on the coordinate system can be performed by converting the shape into numerical data. If the shape of the mold already exists as CAD data or the like, it is efficient to use it. Of course, the acquisition of numerical data is not limited to CAD data, but can also be obtained using CAE, a coagulation analysis simulation device, or the like. Furthermore, it is also possible to convert the shape of an actual mold or casting produced using a three-dimensional scanner or the like into numerical data and form a mold model from the numerical data.

ちなみに、用いる座標系はデカルト座標系が一般的ではあるが、それに限らず、円筒座標系、球面座標系等、鋳型の形状や解析手法に応じた適当な座標系を選択するのが良い。   Incidentally, the coordinate system to be used is generally a Cartesian coordinate system, but is not limited thereto, and an appropriate coordinate system such as a cylindrical coordinate system or a spherical coordinate system may be selected according to the shape of the mold and the analysis method.

(b)要素作成ステップ
要素作成ステップは、モデル形成ステップで形成された型モデル中の領域を分割した多数の微小要素を作成するステップである。すなわち、座標系上に位置づけた型モデルを解析用の微小要素に細分化するステップである。このステップにより、型モデルによって区画された座標系上の空間は、多面体からなる多数の微小要素に分割される。分割数または分割幅は、解析精度、計算時間等を考慮して適切に設定すれば良い。
(B) Element creation step The element creation step is a step of creating a large number of minute elements obtained by dividing the region in the mold model formed in the model formation step. That is, it is a step of subdividing the type model positioned on the coordinate system into microelements for analysis. By this step, the space on the coordinate system partitioned by the mold model is divided into a large number of microelements made of a polyhedron. The number of divisions or the division width may be appropriately set in consideration of analysis accuracy, calculation time, and the like.

要素の分割形状は任意であり、有限差分法で採用されるような直交6面体であっても良いし、有限要素法のような鋳型形状に応じた多面体であっても良い。もっとも、有限差分法を用いると、微小要素への分割が容易であり、解析が数学的に簡潔になるという利点がある。また、微小要素の大きさはすべて同一である必要はなく、局所的に微小要素を細かく設定して解析精度の向上を図ることもできる。例えば、型割れが問題となる部分を高精度に予測したい場合には、そのような部分の微小要素を細かく設定すると良い。   The divided shape of the elements is arbitrary, and may be an orthogonal hexahedron as employed in the finite difference method, or may be a polyhedron corresponding to the mold shape as in the finite element method. However, when the finite difference method is used, there is an advantage that the division into small elements is easy and the analysis becomes mathematically simple. Further, the sizes of the microelements do not have to be the same, and it is possible to improve the analysis accuracy by setting the microelements finely locally. For example, when it is desired to predict a portion where mold cracks are a problem with high accuracy, it is preferable to set fine elements in such a portion finely.

なお、微小要素の分割は、型モデル中の全領域(空間)に対して行う必要は必ずしもなく、充填解析工程または凝固解析工程に必要な範囲、すなわち、キャビティ領域およびその境界の形成に必要な範囲でのみ行うことも可能である。   It is not always necessary to divide the microelements over the entire region (space) in the mold model, but it is necessary to form a range necessary for the filling analysis step or the solidification analysis step, that is, a cavity region and its boundary. It is also possible to do only in the range.

(c)要素定義ステップ
要素定義ステップは、少なくとも、要素作成ステップで作成された多数の微小要素の内で型モデル中のキャビティ領域に対応する微小要素をキャビティ要素と定義すると共に型モデル中の型領域に対応する微小要素を型要素と定義するステップである。このステップで、例えば、金属溶湯が未充填のキャビティ要素が空隙要素と定義されたり、金属溶湯が充填されたキャビティ要素が充填要素と定義されたり、キャビティ要素と型要素との境界面が表面要素と定義されたりする。要するに、要素定義ステップは、充填解析工程または凝固解析工のために各微小要素の属性を定義するステップである。
(C) Element definition step The element definition step defines at least a microelement corresponding to the cavity region in the mold model among the many microelements created in the element creation step as a cavity element and also molds in the mold model This is a step of defining a microelement corresponding to a region as a mold element. In this step, for example, a cavity element that is not filled with molten metal is defined as a void element, a cavity element that is filled with molten metal is defined as a filled element, or the interface between the cavity element and the mold element is a surface element. Or is defined. In short, the element definition step is a step of defining attributes of each microelement for the filling analysis process or the solidification analysis process.

なお、この要素定義ステップは、前述の要素作成ステップの後に行われるステップではあるが、要素作成ステップで全ての微小要素の作成が完了した後に、要素定義ステップが行われる必要はない。すなわち、要素作成ステップで1以上の微小要素が作成される毎にその属性を定義する要素定義ステップを行い、この操作を繰り返して行うようにしても良い。   This element definition step is a step performed after the above-described element creation step, but it is not necessary to perform the element definition step after all the minute elements have been created in the element creation step. That is, every time one or more microelements are created in the element creation step, an element definition step for defining the attribute may be performed, and this operation may be repeated.

なお、本明細書でいう「型領域」とは型自身を形成する領域であり、金属溶湯が注入されない部分である。また、「キャビティ領域」とは金属溶湯が注入され最終的に鋳物等の成形品が形成される部分である。また、「型領域」と「キャビティ領域」との界面を境界領域としても良い。   In this specification, the “mold region” is a region where the mold itself is formed, and is a portion where the molten metal is not injected. The “cavity region” is a portion where a molten metal is poured and a molded product such as a casting is finally formed. Further, the interface between the “mold region” and the “cavity region” may be used as the boundary region.

各微小要素をキャビティ要素や型要素などと定義する方法は特に限定されない。その一例を図3および図4に示す。なお、以下では便宜上、型モデル及び微小要素を2次元的に説明するが、本質的に3次元の場合も同様である。   A method for defining each microelement as a cavity element or a mold element is not particularly limited. An example is shown in FIGS. In the following, for convenience, the mold model and the minute elements will be described two-dimensionally, but the same is true in the case of three-dimensional.

図3には、直交座標を採用し、微小要素1を正方形(3次元的には直方体または立方体等の多面体形状)とした場合を示した。座標上の波線は、キャビティの境界線である。各微小要素1の重心2が、型領域(斜線部分)に存在するときはその微小要素1を型要素と定義し、キャビティ領域に存在するときはその微小要素をキャビティ要素と定義する。   FIG. 3 shows a case where orthogonal coordinates are employed and the microelement 1 is a square (three-dimensionally a polyhedral shape such as a rectangular parallelepiped or a cube). The wavy line on the coordinates is the boundary of the cavity. When the center of gravity 2 of each microelement 1 exists in the mold area (shaded portion), the microelement 1 is defined as a mold element, and when it exists in the cavity area, the microelement is defined as a cavity element.

各々の各微小要素1を型要素またはキャビティ要素と定義した状態を図4に示す。重心2が型領域に存在する場合を白丸○、重心2がキャビティ領域に存在する場合を●で表した。なお、型領域及びキャビティ領域のいずれにも該当しない微小要素1は、計算上の負荷とならないように規定すると良い。   FIG. 4 shows a state where each microelement 1 is defined as a mold element or a cavity element. A case where the center of gravity 2 exists in the mold region is represented by a white circle ◯, and a case where the center of gravity 2 exists in the cavity region is represented by ●. In addition, it is good to prescribe | regulate that the microelement 1 which does not correspond to any of a type | mold area | region and a cavity area | region does not become a calculation load.

(d)流入位置設定ステップ
流入位置設定ステップは、金属溶湯をキャビティへ注湯する位置の近傍にあるキャビティ要素から選定された選定キャビティ要素に金属溶湯の流入位置を設定するステップである。この選定キャビティ要素は、例えば、重力鋳造であれば湯口近傍、加圧鋳造であればプランジャの出口近傍に定義される。この選定キャビティ要素は一つでも複数でもよい。そして金属溶湯の現実の注湯状況、加圧状況などに応じて、複数の選定キャビティ要素にそれぞれ重み係数を付与すると良い。
(D) Inflow position setting step The inflow position setting step is a step of setting the inflow position of the molten metal to the selected cavity element selected from the cavity elements near the position where the molten metal is poured into the cavity. The selected cavity element is defined, for example, near the pouring gate for gravity casting and near the outlet of the plunger for pressure casting. There may be one or more selected cavity elements. And according to the actual pouring situation, pressurization situation, etc. of a molten metal, it is good to give a weighting coefficient to each of a plurality of selected cavity elements.

〈充填解析工程〉
充填解析工程は、図6に示すように、充填解析ステップ、熱応力解析ステップおよび割れ判定ステップからなる。
(1)充填解析ステップ
充填解析ステップでは、設定された型モデル中のキャビティへ金属溶湯が充填される充填過程が順次算出される。これにより、キャビティ内に注入された金属溶湯の物理的挙動が微小時間毎に、微小要素単位で解析される。
<Filling analysis process>
As shown in FIG. 6, the filling analysis process includes a filling analysis step, a thermal stress analysis step, and a crack determination step.
(1) Filling analysis step In the filling analysis step, the filling process in which the molten metal is filled into the cavity in the set mold model is sequentially calculated. As a result, the physical behavior of the molten metal injected into the cavity is analyzed in units of minute elements every minute time.

具体的な算出方法は、特に限定されるものではなく、公知または慣用される方法を用いることができる。例えば、VOF(Volumeof Fluid)、SOLA、FANやそれらの改良された計算方法等を用いることができる。これらの解析に用いられる基礎方程式として図5に示すような、(1−1)連続の式、(1−2)ナビア・ストークス(Navier−Stokes)の式、(1−3)VOF(界面の追跡)の式がある。
そこで充填解析ステップは、例えば図7に示すような、流速・圧力算出ステップ、金属溶湯の移動ステップ、要素フラッグの変更ステップなどの小ステップから構成される。
A specific calculation method is not particularly limited, and a known or commonly used method can be used. For example, VOF (Volume of Fluid), SOLA, FAN, and their improved calculation methods can be used. As basic equations used in these analyses, as shown in FIG. 5, (1-1) continuity equation, (1-2) Navier-Stokes equation, (1-3) VOF (interface There is a formula of (tracking).
Therefore, the filling analysis step includes small steps such as a flow velocity / pressure calculation step, a molten metal moving step, and an element flag changing step as shown in FIG.

(a)流速・圧力算出ステップ
流速・圧力算出ステップでは、充填要素および表面要素に関して、前記ナビア・ストークスの式および連続の式から流速が算出される。なお、ここでいう「圧力」は金属溶湯の圧力である。
(A) Flow velocity / pressure calculation step In the flow velocity / pressure calculation step, the flow velocity is calculated from the Navia-Stokes equation and the continuous equation for the filling element and the surface element. Here, the “pressure” is the pressure of the molten metal.

(b)金属溶湯の移動ステップ
金属溶湯の移動ステップでは、前記VOFの式から微小時間で移動する流体量が算出される。これにより各キャビティ要素の充填度合は充填率(流体率)で表現されることになる。例えば、充填率が0以下の場合は空隙要素であり、充填率>0の場合は充填要素となる。このように本明細書では、金属溶湯が少しでも充填された微小要素(充填率が0より大きく1以下のキャビティ要素)を「充填要素」と呼ぶ。逆に、充填率=0の微小要素を「空隙要素」と呼ぶ。
(B) Molten metal moving step In the molten metal moving step, the amount of fluid moving in a minute time is calculated from the VOF equation. Thereby, the filling degree of each cavity element is expressed by a filling rate (fluid rate). For example, when the filling rate is 0 or less, it is a void element, and when the filling rate> 0, it is a filling element. As described above, in this specification, a minute element (a cavity element having a filling rate larger than 0 and equal to or smaller than 1) filled with a molten metal is referred to as a “filling element”. Conversely, a minute element with a filling rate = 0 is referred to as a “gap element”.

(c)要素フラッグの変更ステップ
要素フラッグの変更ステップでは、例えば、表面要素に境界条件として空隙圧力(キャビティ内の気圧)が付与される。
これら各ステップが金属溶湯の充填完了まで繰り返される。なお、この充填完了は、キャビティ要素の種類を調べ、キャビティ要素の90%以上が充填要素になったかで判断する。または、予め、初期溶湯量とキャビティ体積から算出しておいた充填時間を超えた時点で判断してもよい。このとき、未充填要素がある場合の未充填要素の温度は隣接要素の温度を順次あてはめるとよい。
(C) Element Flag Change Step In the element flag change step, for example, a void pressure (atmospheric pressure in the cavity) is applied to the surface element as a boundary condition.
These steps are repeated until the filling of the molten metal is completed. The completion of the filling is determined by examining the type of the cavity element and determining whether 90% or more of the cavity elements have become the filling elements. Alternatively, it may be determined when the filling time calculated in advance from the initial molten metal amount and the cavity volume is exceeded. At this time, when there is an unfilled element, the temperature of the unfilled element may be sequentially applied to the temperature of the adjacent element.

(2)熱応力解析ステップと割れ判定ステップ
熱応力解析ステップは、充填解析ステップの充填過程に応じて、少なくとも一部の型要素について作用する熱応力を順次算出するステップである。また、割れ判定ステップは、その算出された熱応力が型割れ発生の判断指標となる割れ応力を少なくとも超えているか否かを判定するステップである。
本発明では、先ず熱応力解析ステップで、金属溶湯の充填中に型に生じる熱応力を的確に把握し、次に割れ判定ステップで、その算出された熱応力と型の強度(割れ応力)とを比較することで、型に生じ得る型割れを的確に予測することが可能となる。
(2) Thermal stress analysis step and crack determination step The thermal stress analysis step is a step of sequentially calculating thermal stress acting on at least a part of the mold elements in accordance with the filling process of the filling analysis step. The crack determination step is a step of determining whether or not the calculated thermal stress exceeds at least a crack stress that is a determination index for occurrence of mold cracks.
In the present invention, first, in the thermal stress analysis step, the thermal stress generated in the mold during the filling of the molten metal is accurately grasped, and then in the crack determination step, the calculated thermal stress and the strength of the mold (cracking stress) and By comparing these, it is possible to accurately predict a mold crack that may occur in the mold.

ところで、型割れのように、一時期に大きな応力が作用して生じる局部的な破壊は、熱応力が最大になるところ、つまり最大主応力の作用するところで発生することが多いと考えられる(最大主応力説)。そこで、割れ応力と比較されるべき熱応力は、各型要素に作用する最大主応力(特に引張り側の最大主応力)であることが好ましい。本明細書ではこの最大主応力を最大熱主応力と呼ぶ。   By the way, it is considered that local fractures caused by large stress acting at one time, such as mold cracking, often occur where the thermal stress becomes maximum, that is, where the maximum principal stress acts (the largest principal stress). Stress theory). Therefore, the thermal stress to be compared with the cracking stress is preferably the maximum principal stress acting on each mold element (particularly the maximum principal stress on the tension side). In this specification, this maximum principal stress is called the maximum thermal principal stress.

そこで本発明の熱応力解析ステップでは、さらに、前記型要素に作用する熱応力の最大主応力である最大熱主応力を算出する最大熱主応力算出ステップを有すると好適である。この場合、割れ判定ステップは、その最大熱主応力が型割れの指標となる割れ応力を少なくとも超えているか否かを判定するステップとなる。   Therefore, it is preferable that the thermal stress analysis step of the present invention further includes a maximum thermal principal stress calculation step for calculating a maximum thermal principal stress that is the maximum principal stress of the thermal stress acting on the mold element. In this case, the crack determination step is a step of determining whether or not the maximum thermal principal stress exceeds at least a crack stress that serves as an index of mold cracking.

(3)温度解析ステップ
熱応力解析ステップでは、型要素に作用する熱応力が算出されるが、この熱応力の駆動源は主に各型要素の熱膨張差にある。その熱膨張差は、各型要素の温度差により大きく影響される。そこで前記の熱応力解析ステップは、型要素の温度に基づきその型要素に作用する熱応力を順次算出する温度解析ステップであると好ましい。もちろん、具体的な熱応力自体は、その型要素の温度に加えて、型形状、型の拘束条件、型の材質などが考慮されて求められる。
(3) Temperature analysis step In the thermal stress analysis step, the thermal stress acting on the mold element is calculated, and the driving source of this thermal stress is mainly in the thermal expansion difference of each mold element. The difference in thermal expansion is greatly influenced by the temperature difference of each mold element. Therefore, it is preferable that the thermal stress analysis step is a temperature analysis step for sequentially calculating the thermal stress acting on the mold element based on the temperature of the mold element. Of course, the specific thermal stress itself is determined in consideration of the mold shape, the mold constraint conditions, the mold material, and the like in addition to the temperature of the mold element.

(4)割れ応力(有効体積算出ステップと割れ応力算出ステップ)
(a)型割れが発生するか否かを判断するために、熱応力解析ステップで算出した熱応力(特に最大熱主応力)と対比される割れ応力を、いかに設定するかが重要となる。金型の場合であれば、型を構成する金属の降伏応力、耐力または引張強度(破壊強度)、それらの高温特性などを、既知データまたは引張試験結果などによって、特定することは比較的容易である。また、金型の場合であれば、全体的に均質であり、強度的な挙動も比較的安定しており、そもそも型割れを生じることも少ないので、取り扱いは比較的容易である。
これに対して、砂型などの粘結型では、微視的に観るとバラツキが大きく、型割れの指標となる割れ応力を単純には設定し難い。例えば、引張試験などにより予め粘結型の強度を測定しても、局部的に存在する起点(欠陥)から割れ(破壊)などを生じることが多く、安定した割れ応力を単純に設定し難い状況にある。
(4) Cracking stress (effective volume calculation step and cracking stress calculation step)
(A) In order to determine whether or not mold cracks occur, it is important how to set the crack stress to be compared with the thermal stress (particularly the maximum thermal principal stress) calculated in the thermal stress analysis step. In the case of molds, it is relatively easy to specify the yield stress, proof stress or tensile strength (breaking strength), high temperature properties, etc. of the metal constituting the mold based on known data or tensile test results. is there. Further, in the case of a mold, it is homogeneous as a whole, has a relatively stable behavior, and is less likely to cause mold cracks, so it is relatively easy to handle.
On the other hand, a caking type such as a sand mold has a large variation when viewed microscopically, and it is difficult to simply set a cracking stress as an index of mold cracking. For example, even if the strength of caking type is measured in advance by a tensile test or the like, cracks (fractures) often occur from local starting points (defects), and it is difficult to simply set a stable cracking stress. It is in.

そこで本発明者が鋭意研究したところ、脆性材料の強度や破壊に関するワイブル分布を
利用することで、粘結型の割れ応力を適正に評価することに成功した。具体的にいうと、
鋳型(粘結型)の割れ応力は、有効体積と相関関係があり、図10に概略を示すように、
その有効体積が大きくなるほど割れ応力は低下する傾向を示す。このような図10に示す
鋳型の割れ応力と有効体積の相関は、対象となる鋳型に対して引張試験または曲げ試験を
行うことで得られる。また、有効体積は、数式(1)により求まる体積分値(三重積分値
)である。ちなみに、ワイブル分布自体は文献[W.Weibull、J.Appl.M
eh.、Vol.18(1951)、P293]などに詳述されている公知な理論である

(有効体積)=∫V (σ/σmax) dV (1)
V :積分体積(型内の超過領域)
σ :積分体積V内の型要素の最大主応力
σmax:最大主応力σの最大値
m :ワイブル係数
Therefore, the present inventor conducted intensive research and succeeded in appropriately evaluating the caking type cracking stress by utilizing the Weibull distribution related to the strength and fracture of the brittle material. Specifically,
The cracking stress of the mold (caking mold) has a correlation with the effective volume, and as shown schematically in FIG.
The crack stress tends to decrease as the effective volume increases. The correlation between the cracking stress and the effective volume of the mold shown in FIG. 10 can be obtained by performing a tensile test or a bending test on the target mold. In addition, the effective volume is a volume integral value (triple integral value) obtained by Expression (1). By the way, the Weibull distribution itself is described in the literature [W. Weibull, J. et al. Appl. M
eh. Vol. 18 (1951), P293] and the like.
(Effective volume) = ∫V (σ / σ max ) m dV (1)
V: integral volume (excess area in the mold)
σ: Maximum principal stress of the mold element in the integral volume V
σ max : Maximum value of maximum principal stress σ
m: Weibull coefficient

ここで一例として、例えば、断面が四角形の試験片の有効体積を考える。m:ワイブル
係数、w:試験片の断面幅、t:試験片の断面高さ、d:曲げ試験を行う支点間距離とす
ると、有効体積は次のように表される。
3点曲げの場合 (有効体積)=w・t・d/2(m+1)
4点曲げの場合 (有効体積)=w・t・d・(m+3)/6(m+1)
Here, as an example, for example, consider the effective volume of a test piece having a square cross section. When m is the Weibull coefficient, w is the cross-sectional width of the test piece, t is the cross-sectional height of the test piece, and d is the distance between the fulcrums for the bending test, the effective volume is expressed as follows.
In the case of three-point bending (effective volume) = w · t · d / 2 (m + 1) 2
In the case of 4-point bending (effective volume) = w · t · d · (m + 3) / 6 (m + 1) 2

以上から本発明では、さらに、熱応力解析ステップで算出された熱応力が基準応力を少なくとも超える型内の超過領域内で、上記の数式(1)に基づき求まる有効体積を算出する有効体積算出ステップと、有効体積に基づいて割れ応力を算出する割れ応力算出ステップとを有すると好適である。これらは熱応力解析ステップ中にあっても割れ判定ステップ中にあってもよい。   As described above, in the present invention, the effective volume calculating step for calculating the effective volume determined based on the above formula (1) in the excess region in the mold where the thermal stress calculated in the thermal stress analysis step exceeds at least the reference stress. And a crack stress calculating step for calculating a crack stress based on the effective volume. These may be in the thermal stress analysis step or in the crack determination step.

(b)ここで有効体積を求める際の積分範囲となる型内の超過領域とは、各型要素に作用する熱応力(特に最大熱主応力)が、各種の型ごとに設定された基準応力(例えば、引張強度)を超える型領域である。このような型内の超過領域は、基準応力を一定に設定しても、各型要素に作用する熱応力が変化すると、それに応じて変動する。そこで有効体積算出ステップ中または有効体積算出ステップ前は、熱応力が算出される型領域中から前記型内の超過領域を特定する型内の超過領域特定ステップが組み込まれていると好適である。 (B) The excess region in the mold, which is the integration range when determining the effective volume here, is the reference stress in which the thermal stress acting on each mold element (especially the maximum thermal principal stress) is set for each type. This is a mold region exceeding (for example, tensile strength). Even if the reference stress is set to be constant, the excess region in such a mold fluctuates accordingly when the thermal stress acting on each mold element changes. Therefore, it is preferable that an excess region specifying step in the mold for specifying the excess region in the mold from the mold region in which the thermal stress is calculated is incorporated during the effective volume calculation step or before the effective volume calculation step.

ちなみに、型内の超過領域が増加すれば、それに応じて有効体積も増加し、有効体積と相関する割れ応力は低下する。その結果、各型要素に作用する熱応力(最大熱主応力)が、型割れの指標となる割れ応力を超える確率が高くなる。つまり、型割れの発生する確率が高くなる。
なお、有効体積算出ステップ(型内の超過領域特定ステップを含む)や割れ応力算出ステップは、熱応力解析ステップで算出される熱応力に応じて処理がなされるから、実際に計算される順序は別としても、技術思想的には充填解析工程に含まれるものといえる。
Incidentally, if the excess area in the mold increases, the effective volume also increases accordingly, and the cracking stress correlated with the effective volume decreases. As a result, the probability that the thermal stress (maximum thermal principal stress) acting on each mold element exceeds the crack stress that serves as an index of mold cracking increases. That is, the probability that a mold crack will occur increases.
The effective volume calculation step (including the excess region identification step in the mold) and the crack stress calculation step are processed according to the thermal stress calculated in the thermal stress analysis step, so the actual calculation order is Apart from that, it can be said that it is included in the filling analysis step in terms of technical thought.

(5)凝固解析工程
凝固解析工程は、充填された金属溶湯が凝固する凝固過程を順次算出する工程である。凝固解析工程は、本発明のように充填解析工程中の型割れの予測に主眼がある場合は必ずしも必須ではないが、鋳造シミュレーションに含まれるのが一般的である。
(5) Solidification analysis step The solidification analysis step is a step of sequentially calculating solidification processes in which the filled metal melt solidifies. The solidification analysis step is not necessarily essential when the focus is on the prediction of mold cracking during the filling analysis step as in the present invention, but it is generally included in the casting simulation.

この凝固解析工程は、例えば図9に示すように、凝固特性定義ステップおよび凝固解析ステップからなる。凝固特性定義ステップでは、金属溶湯の種類に応じて、凝固温度、温度に応じた固相率などが定義される。凝固解析ステップでは、金属溶湯の凝固特性に応じて、予め設定した微小な基準時間毎に順次計算(ステップ)を進めていき、各ステップ毎に金属溶湯の凝固挙動が解析される。この場合の解析手法自体は特に限定されない。例えば、伝熱解析の基礎式としてエネルギー保存則が用いられるし、微分方程式の数値解法として前進オイラー法、後退オイラー法、クランク−ニコルソン法、ルンゲ・クッタ法等の公知または慣用された手法やそれらを改良した手法が用いられる。また、凝固の取り扱い方法としては、温度回復法、等価比熱法、エンタルピ法等の公知または慣用された手法やそれらを改良した手法が用いられる。   As shown in FIG. 9, for example, the solidification analysis process includes a solidification characteristic definition step and a solidification analysis step. In the solidification characteristic definition step, the solidification temperature, the solid phase ratio corresponding to the temperature, and the like are defined according to the type of molten metal. In the solidification analysis step, the calculation (step) is sequentially advanced at a predetermined minute reference time according to the solidification characteristics of the molten metal, and the solidification behavior of the molten metal is analyzed at each step. The analysis method itself in this case is not particularly limited. For example, energy conservation law is used as a basic expression for heat transfer analysis, and as a numerical solution of differential equations, known or commonly used methods such as forward Euler method, backward Euler method, Crank-Nicholson method, Runge-Kutta method, etc. An improved method is used. In addition, as a method for handling solidification, a known or commonly used method such as a temperature recovery method, an equivalent specific heat method, an enthalpy method, or a method obtained by improving them is used.

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《鋳物の製造と型割れの確認》
本発明に係る鋳造シミュレーション方法の有効性を確認するために、先ずは中空鋳物を実際に製造して型割れの生じる位置を特定した。
The present invention will be described more specifically with reference to examples.
<Manufacture of castings and confirmation of mold cracking>
In order to confirm the effectiveness of the casting simulation method according to the present invention, first, a hollow casting was actually manufactured and a position where a mold crack occurred was specified.

〈鋳型の製造〉
図11と図12に示す2種の粒子をバインダで固めた砂型からなる中子(鋳型)を製作した。具体的には、先ず、6号けい砂に、バインダであるフェノールレジンを1.5質量%添加し、均一に混練した混合粉末を調製した。この混練粉末を型枠に入れて加圧することで、概ね図11または図12に示す形状の粉末成形体を得た。さらに、この粉末成形体を加熱炉に入れて、250℃で60秒加熱して焼成させることで、図11または図12に示す形状の中子を得た。便宜上、図11に示す中子を第1中子、図12に示す中子を第2中子という。
<Manufacture of mold>
A core (mold) made of a sand mold in which two kinds of particles shown in FIGS. 11 and 12 were hardened with a binder was manufactured. Specifically, first, 1.5% by mass of a phenol resin as a binder was added to No. 6 silica sand to prepare a mixed powder that was uniformly kneaded. The kneaded powder was put into a mold and pressed to obtain a powder compact having a shape generally shown in FIG. 11 or FIG. Furthermore, the powder compact was put into a heating furnace and heated at 250 ° C. for 60 seconds and fired to obtain a core shown in FIG. 11 or FIG. For convenience, the core shown in FIG. 11 is called a first core, and the core shown in FIG. 12 is called a second core.

なお、図11(a)は外型内に載置した第1中子を示し、同図(b)はその正面斜視図であり、同図(c)は同図(b)に示したA−A断面図である。また、図12(a)は外型内に載置した第2中子を示し、同図(b)は同図(a)に示したA−A断面図である。ちなみに、図11(a)および図12(a)の外型も、上記の中子と同様な砂型である。   11 (a) shows the first core placed in the outer mold, FIG. 11 (b) is a front perspective view thereof, and FIG. 11 (c) is an A shown in FIG. 11 (b). It is -A sectional drawing. FIG. 12A shows the second core placed in the outer mold, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. Incidentally, the outer molds of FIGS. 11A and 12A are also sand molds similar to the above core.

〈金属溶湯の調製および注湯〉
上記したそれぞれの中子の周囲へ注湯(充填)する金属溶湯として、アルミニウム合金溶湯(JIS AC4C)を調製した。
この温度を700℃とした溶湯を、図11(a)に示す中子の周囲へ、30秒かけて、同図に示す湯口から加圧せずに注湯した。また、温度を700℃とした同溶湯を、図12(a)に示す中子の周囲へ、50秒かけて同図に示す湯口から加圧せずに注湯した。
<Preparation and pouring of molten metal>
A molten aluminum alloy (JIS AC4C) was prepared as a molten metal to be poured (filled) around each of the above-described cores.
The molten metal at a temperature of 700 ° C. was poured around the core shown in FIG. 11 (a) over 30 seconds without being pressurized from the gate shown in FIG. Further, the molten metal at a temperature of 700 ° C. was poured around the core shown in FIG. 12A without applying pressure from the gate shown in FIG.

〈中空鋳物の観察〉
このように第1中子を用いて重力鋳造した鋳物(第1鋳物)と、第2中子を用いて重力鋳造した鋳物(第2鋳物)を得た。それぞれの鋳物から中子を崩壊させて除去し、それぞれの鋳物表面を軽く洗浄した後に、中子により形成された中空内部を観察した。
<Observation of hollow casting>
Thus, a casting (first casting) that was gravity cast using the first core and a casting (second casting) that was gravity cast using the second core were obtained. After the cores were disintegrated and removed from each casting and the surface of each casting was lightly washed, the hollow interior formed by the cores was observed.

その結果、第1鋳物では、中空部分である図11(a)に示す「F」位置にバリの形成が確認された。また、第2鋳物でも、中空部分である図12(a)に示す「F」位置にバリの形成が同様に確認された。これらのバリは、それぞれの中子に割れ(型割れ)が生じて、その隙間に注湯した溶湯が浸入したために形成されたと考えられる。   As a result, in the first casting, the formation of burrs was confirmed at the “F” position shown in FIG. In the second casting, the formation of burrs was similarly confirmed at the position “F” shown in FIG. It is considered that these burrs were formed because cracks (mold cracks) occurred in the respective cores, and the molten metal poured into the gaps entered.

《鋳造シミュレーション》
本発明に係る鋳造シミュレーション方法を行い、その結果と上記の実測結果とを比較して両者の適合性を評価した。以下にその内容を詳述する。
(1)モデル設定工程
図11および図12に示した鋳型のCADデータを用いて図2に示すモデル設定工程を行った。すなわち、鋳造シミュレーションに用いる型モデルを形成し(モデル形成ステップ)、その型モデルを微小要素に分割した(要素作成ステップ)。分割方法は、矩形要素でメッシュ分割とした。さらに、各要素をキャビティ要素または型要素として定義した(要素定義ステップ)。湯口近傍にあるキャビティ要素を選定して、その選定キャビティ要素に加圧流入位置を設定した(流入位置設定ステップ)。
《Casting simulation》
The casting simulation method according to the present invention was performed, and the results were compared with the actual measurement results to evaluate the compatibility between them. The details will be described below.
(1) Model setting process The model setting process shown in FIG. 2 was performed using CAD data of the mold shown in FIGS. That is, a mold model used for casting simulation was formed (model formation step), and the mold model was divided into minute elements (element creation step). The division method was a mesh division with rectangular elements. Furthermore, each element was defined as a cavity element or a mold element (element definition step). A cavity element in the vicinity of the gate is selected, and a pressure inflow position is set to the selected cavity element (inflow position setting step).

(2)充填解析工程および凝固解析工程
上記鋳型モデルのキャビティ要素(空隙要素)への金属溶湯の充填解析および凝固解析は、現実の鋳造条件を考慮しつつ、既述した図6(図7)および図9に示す各ステップに沿って行った。充填完了は、キャビティ要素の90%以上が充填要素になった時点で判断し、凝固完了は、キャビティ要素の固相率が1となった時点で判断した。この凝固完了によりシミュレーションが終了する。
(2) Filling analysis step and solidification analysis step Filling analysis and solidification analysis of the molten metal into the cavity element (void element) of the above-mentioned mold model are performed in consideration of actual casting conditions, as described above with reference to FIG. 6 (FIG. 7). And it carried out along each step shown in FIG. Completion of filling was judged when 90% or more of the cavity elements became filling elements, and completion of solidification was judged when the solid phase ratio of the cavity elements became 1. The simulation is completed when the solidification is completed.

ところで、上記の充填解析工程中に、第1中子および第2中子に対応する各型要素について求めた温度からその各型要素に作用する熱応力(最大主応力)を順次算出し(温度解析ステップ)、その内の最大値を最大熱主応力とした(最大熱主応力算出ステップ)。こうして求めた最大熱主応力を各中子の割れ応力と比較した(割れ判定ステップ)。これらのステップを溶湯がキャビティ要素に充填完了されるまで繰り返し、型割れの発生の有無およびその発生位置を予測した。   By the way, during the above-described filling analysis step, the thermal stress (maximum principal stress) acting on each mold element is sequentially calculated from the temperature obtained for each mold element corresponding to the first core and the second core (temperature). (Analysis step), and the maximum value among them was defined as the maximum thermal principal stress (maximum thermal principal stress calculation step). The maximum thermal principal stress thus determined was compared with the crack stress of each core (crack determination step). These steps were repeated until the molten metal was completely filled in the cavity element, and the presence / absence of occurrence of mold cracks and the occurrence position thereof were predicted.

(2)割れ応力
ここで最大熱主応力と対比する中子の割れ応力として、図11に示した第1鋳物の鋳造シミュレーションの場合は、予め第1中子と同様に製造した現物の試験片(JIS Z2201の5号相当)に対して引張試験により得た引張強度(1.5〜2.65MPa)を用いた。
(2) Cracking stress As the cracking stress of the core to be compared with the maximum thermal principal stress, in the case of the casting simulation of the first casting shown in FIG. The tensile strength (1.5-2.65 MPa) obtained by the tensile test was used for (corresponding to JIS Z2201 No. 5).

一方、図12に示した第2鋳物の鋳造シミュレーションの場合は、図8に示すように、モデル設定した第2中子について、温度解析ステップから求まる熱応力に基づき、基準応力(0.2MPa)を超える熱応力が作用する型内の超過領域を特定し(型内の超過領域特定ステップ)、その型内の超過領域について前述した数式(1)に基づき有効体積を算出した(有効体積算出ステップ)。ちなみに、このときの基準応力は引張試験強度の下限値(最小値)とした。   On the other hand, in the case of the casting simulation of the second casting shown in FIG. 12, as shown in FIG. 8, the reference stress (0.2 MPa) is applied to the modeled second core based on the thermal stress obtained from the temperature analysis step. The excess region in the mold on which the thermal stress exceeding the above acts is identified (excess region identification step in the mold), and the effective volume is calculated based on the above-described formula (1) for the excess region in the mold (effective volume calculation step) ). Incidentally, the reference stress at this time was the lower limit (minimum value) of the tensile test strength.

次に、第2中子と同様に製造した現物の試験片に対して予め実験により求めておいた有効体積と割れ応力との相関関係(図13参照)に基づき、先に求めた有効体積に対応する第2中子の割れ応力(引張強度)を特定した。なお、有効体積と割れ応力との相関関係は、試験片のサイズを変化させつつ行った曲げ試験と引張試験から求めた。   Next, based on the correlation (see FIG. 13) between the effective volume and cracking stress obtained in advance for the actual test piece manufactured in the same manner as the second core, The corresponding cracking stress (tensile strength) of the second core was identified. Note that the correlation between the effective volume and the cracking stress was obtained from a bending test and a tensile test performed while changing the size of the test piece.

《評価》
(1)第1鋳物の鋳造シミュレーション
第1鋳物について鋳造シミュレーションを行ったところ、図11(a)に示すF位置の最大熱主応力は0.6MPa以上となり、第1中子の割れ応力(0.33MPa)を遙かに超える結果となった。このシミュレーション結果は、F位置に型割れが生じる前述の実測結果とよく適合している。
<Evaluation>
(1) Casting simulation of the first casting When the casting simulation was performed for the first casting, the maximum thermal principal stress at the position F shown in FIG. 11A was 0.6 MPa or more, and the cracking stress (0 .33 MPa). This simulation result is well matched with the above-mentioned actual measurement result in which a mold crack occurs at the F position.

(2)第2鋳物の鋳造シミュレーション
第2鋳型について鋳造シミュレーションを行った場合でも、図12(a)に示すF位置に型割れが生じる予測結果が得られ、この結果は前述した実測結果によく適合していた。
(2) Casting simulation of the second casting Even when the casting simulation is performed for the second mold, a prediction result that a mold crack occurs at the position F shown in FIG. 12 (a) is obtained. It was compatible.

なお、この第2鋳物の鋳造シミュレーションの熱応力解析ステップを行うことで、充填時における有効体積と最大熱主応力(最大熱主応力線図)が得られた。これを、有効体積と割れ応力(鋳型の引張強度)の相関(割れ応力線図)を示す図13上に重ねてプロットした。   In addition, the effective volume and the maximum thermal principal stress (maximum thermal principal stress diagram) at the time of filling were obtained by performing the thermal stress analysis step of the casting simulation of the second casting. This was plotted superimposed on FIG. 13 showing the correlation (cracking stress diagram) between the effective volume and cracking stress (tensile strength of the mold).

このシミュレーションにより得られた最大熱主応力線図からも分かるように、溶湯の充填過程が進行するにつれて、最大熱主応力および有効体積が増加している。そして割れ判定ステップで、有効体積の増加と共に増加する最大熱主応力が、そのときの有効体積によって定まる鋳型の引張強度(割れ応力)に重なったときに、型割れと判断された。
ちなみに、この型割れが発生した時期は、シミュレーション上、溶湯の注湯から12秒後であった。溶湯の注湯から充填までは30秒であるから、割れ応力の発生時期は溶湯の充填途中で生じていることになる。このことは、本発明者が実際の鋳造を種々行って得た知見ともよく合致する。
As can be seen from the maximum thermal principal stress diagram obtained by this simulation, the maximum thermal principal stress and the effective volume increase as the molten metal filling process proceeds. In the crack determination step, when the maximum thermal principal stress that increases with the increase in the effective volume overlaps the tensile strength (cracking stress) of the mold determined by the effective volume at that time, it was determined as a mold crack.
Incidentally, the time when this mold crack occurred was 12 seconds after the pouring of the molten metal in the simulation. Since it takes 30 seconds from the pouring of the molten metal to filling, the generation time of cracking stress occurs during the filling of the molten metal. This agrees well with the knowledge obtained by the present inventor through various actual castings.

以上から明らかなように、本発明に係る鋳造シミュレーション方法によれば、現実の実験結果をより高精度に再現した型割れ予測が可能となることが確認された。   As is clear from the above, it was confirmed that according to the casting simulation method according to the present invention, it is possible to predict mold cracks by reproducing actual experimental results with higher accuracy.

本発明の鋳造シミュレーション方法の処理手順を示すメインフローチャートである。It is a main flowchart which shows the process sequence of the casting simulation method of this invention. メインフローチャートの中のモデル設定工程を詳述したサブフローチャートである。It is a subflowchart which detailed the model setting process in the main flowchart. 型モデルを微小要素に分割した様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that the type | mold model was divided | segmented into the microelement. 分割した微小要素を型要素またはキャビティ要素と定義した様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that the divided | segmented microelement was defined as a mold element or a cavity element. 充填解析で用いた基礎方程式を示す図である。It is a figure which shows the basic equation used by the filling analysis. メインフローチャートの中の充填解析工程を詳述したサブフローチャートである。It is a subflowchart which explained the filling analysis process in the main flowchart in detail. 充填解析工程中の充填解析ステップをさらに詳述したサブフローチャートである。It is the subflowchart which explained the filling analysis step in a filling analysis process in further detail. 充填解析工程中の熱応力解析ステップをさらに詳述したサブフローチャートである。It is the subflowchart which explained in detail the thermal stress analysis step in a filling analysis process. メインフローチャートの中の凝固解析工程を詳述したサブフローチャートである。It is a sub-flowchart which explained in detail the solidification analysis process in the main flow chart. 型割れの指標となる割れ応力が有効体積と相関することを示す概略図である。It is the schematic which shows that the crack stress used as the parameter | index of a mold crack correlates with an effective volume. 本発明の鋳造シミュレーションを適用した第1実施例に係る第1中子(鋳型)の形状と鋳造方案を示す図である。It is a figure which shows the shape and casting plan of the 1st core (mold) which concern on 1st Example to which the casting simulation of this invention is applied. 本発明の鋳造シミュレーションを適用した第2実施例に係る第2中子(鋳型)の形状と鋳造方案を示す図である。It is a figure which shows the shape and casting plan of the 2nd core (mold) which concern on 2nd Example to which the casting simulation of this invention is applied. 第2実施例に関して、有効体積−割れ応力の実際の相関関係と、有効体積−最大熱主応力のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the actual correlation of effective volume-cracking stress, and the simulation result of effective volume-maximum thermal principal stress regarding 2nd Example.

Claims (7)

金属溶湯が充填されるキャビティを構成する型を座標系上にモデル化した型モデルを設定するモデル設定工程と、
該設定された型モデル中のキャビティへ金属溶湯が充填されていく様子を順次算出する充填解析工程とを備える鋳造シミュレーション方法であって、
前記モデル設定工程は、前記型モデルを座標系上に位置づけて形成するモデル形成ステップと、該形成された型モデル中の領域を微小に分割して多数の微小要素を作成する要素作成ステップと、該作成された微小要素の内で該型モデル中のキャビティ領域に対応する微小要素をキャビティ要素と定義すると共に該型モデル中の型領域に対応する微小要素を型要素と定義する要素定義ステップとを有し、
前記充填解析工程は、前記キャビティ要素へ前記金属溶湯が順次充填されていく充填過程を算出する充填解析ステップと、少なくとも一部の前記型要素について作用する熱応力を順次算出する熱応力解析ステップと、該算出された熱応力が型割れ発生の判断指標となる割れ応力を少なくとも超えているか否かを判定する割れ判定ステップと、前記算出された熱応力が基準応力を少なくとも超える型内の超過領域内で、下記の数式(1)に基づき求まる有効体積を算出する有効体積算出ステップと、該有効体積に基づいて前記割れ応力を算出する割れ応力算出ステップとを有し、少なくとも型割れの発生の有無を予測し得ることを特徴とする鋳造シミュレーション方法。
(有効体積)=∫ V (σ/σ max ) m dV (1)
V :積分体積(型内の超過領域)
σ :積分体積V内の型要素の最大主応力
σ max :最大主応力σの最大値
m :ワイブル係数
A model setting step for setting a mold model in which a mold constituting a cavity filled with molten metal is modeled on a coordinate system;
A casting simulation method comprising: a filling analysis step for sequentially calculating how the molten metal is filled into the cavities in the set mold model,
The model setting step includes a model formation step of forming the mold model by positioning it on a coordinate system, an element creation step of creating a large number of minute elements by finely dividing an area in the formed mold model, An element defining step of defining a microelement corresponding to a cavity region in the mold model as a cavity element among the created microelements and defining a microelement corresponding to the mold region in the mold model as a mold element; Have
The filling analysis step includes a filling analysis step for calculating a filling process in which the molten metal is sequentially filled into the cavity elements, and a thermal stress analysis step for sequentially calculating thermal stress acting on at least a part of the mold elements. A crack determination step for determining whether or not the calculated thermal stress exceeds at least a crack stress which is a determination index for occurrence of mold cracking; and an excess region in the mold where the calculated thermal stress exceeds at least a reference stress An effective volume calculating step for calculating an effective volume obtained based on the following mathematical formula (1), and a crack stress calculating step for calculating the cracking stress based on the effective volume, and at least occurrence of mold cracking. A casting simulation method characterized by being able to predict the presence or absence.
(Effective volume) = ∫ V (σ / σ max ) m dV (1)
V: integral volume (excess area in the mold)
σ: Maximum principal stress of the mold element in the integral volume V
σ max : Maximum value of maximum principal stress σ
m: Weibull coefficient
さらに、前記熱応力の算出される型領域中から前記型内の超過領域を特定する型内の超過領域特定ステップを有する請求項に記載の鋳造シミュレーション方法。 2. The casting simulation method according to claim 1 , further comprising an excess region specifying step in the die that specifies an excess region in the die from the die region in which the thermal stress is calculated. 前記熱応力解析ステップは、さらに、前記型要素に作用する熱応力の最大主応力である最大熱主応力を算出する最大熱主応力算出ステップを有し、
前記割れ判定ステップは、該最大熱主応力が前記割れ応力を少なくとも超えているか否かを判定するステップである請求項1又は2に記載の鋳造シミュレーション方法。
The thermal stress analysis step further includes a maximum thermal principal stress calculation step for calculating a maximum thermal principal stress that is a maximum principal stress of thermal stress acting on the mold element,
The crack determination step, casting simulation method according to claim 1 or 2 said maximum thermal principal stress is determining whether exceeds at least the cracking stress.
前記熱応力解析ステップは、前記型要素の温度に基づき該型要素に作用する熱応力を順次算出する温度解析ステップである請求項1〜のいずれかに記載の鋳造シミュレーション方法。 The thermal stress analysis step, casting simulation method according to any one of claims 1 to 3 thermal stress acting on the mold elements on the basis of the temperature of the mold element is a temperature analysis step of sequentially calculating. 前記熱応力解析ステップの対象となる型は、粒子をバインダで固めた鋳型である請求項1〜のいずれかに記載の鋳造シミュレーション方法。 The casting simulation method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the mold to be subjected to the thermal stress analysis step is a mold in which particles are hardened with a binder. 前記鋳型は、中子である請求項に記載の鋳造シミュレーション方法。 The casting simulation method according to claim 5 , wherein the mold is a core. 請求項1〜のいずれかに記載の鋳造シミュレーション方法をコンピュータを機能させて実行することを特徴とする鋳造シミュレーションプログラム。 Casting simulation program casting simulation method cause the computer to function to according to any one of claims 1 to 6, characterized in that run.
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